《Diamond and Related Materials》：Process-controlled ZnCl? activation of coffee waste into hierarchical porous carbon for electrolyte-dependent supercapacitive energy storage
编辑推荐：
摘要将生物质废弃物可持续转化为功能性碳材料，为低成本电化学能量存储提供了有效途径。本研究在可控的碳化温度（600–800?°C）下，通过ZnCl?辅助活化处理废弃咖啡渣，制备出分层多孔碳材料，旨在建立适用于超级电容器的工艺-结构-性能关系。活化温度显著影响孔结构演化、石墨化程度以
摘要
将生物质废弃物可持续转化为功能性碳材料，为低成本电化学能量存储提供了有效途径。本研究在可控的碳化温度（600–800?°C）下，通过ZnCl?辅助活化处理废弃咖啡渣，制备出分层多孔碳材料，旨在建立适用于超级电容器的工艺-结构-性能关系。活化温度显著影响孔结构演化、石墨化程度以及表面化学性质，从而导致在不同水基电解质（1?M H?SO?、6?M KOH、3?M LiOH）中的性能出现差异，这些差异源于离子尺寸和溶剂化效应的不同。在所制备的样品中，SCW6具有最优的微介孔结构，比表面积为1188.33?m2?g?1，且存在相互连接的离子传输通道。在酸性（1?M H?SO?）和碱性（6?M KOH、3?M LiOH）介质中的电化学测试显示，该材料具有明显的电解质选择性：在H?SO?中，质子传输速度快，有助于充分利用孔结构并降低电阻损失。因此，SCW6表现出优异的比电容，分别为364.65?F?g?1（恒电流法）、210.67?F?g?1（恒电压法）和163.79?F?g?1（电化学阻抗谱法），同时内阻较低（约0.53?Ω）。对称结构的SCW6电池在经过20,000次循环后仍能保持约90.2%的电容值，其能量密度为56.25?Wh?kg?1，功率密度则为7.42?kW?kg?1。本研究表明，通过对咖啡渣进行工艺可控的活化处理，可制得具有电解质选择性的多孔碳电极，这类电极具备良好的高倍率性能，为可持续制造超级电容器提供了可行的方案。
引言
随着便携式电子设备、电动汽车以及可再生能源技术的快速发展，人们对高效、可靠且环境友好的先进能量存储系统的需求日益增加。在这些技术中，电双层电容器作为超级电容器的重要类别，因其较高的功率密度、快速的充放电性能以及相比传统电池更优异的循环稳定性而备受关注。电双层电容器通过在电极与电解质界面进行非法拉第电荷积累来储存能量，从而实现快速能量释放，同时减少长期使用过程中的结构退化。尽管具有这些优势，但电双层电容器的能量密度相对较低，这成为其广泛应用的主要限制，尤其是在需要紧凑、轻量且高倍率能量存储的场景中[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。
为克服这一局限，大量研究致力于开发能够提升电荷存储容量，同时不牺牲功率输出或循环寿命的先进电极材料[6]、[7]、[8]。基于碳的材料因具有高电导率、化学稳定性以及可调控的多孔结构，被视为电双层电容器电极的理想候选材料。尤其是那些具有高比表面积和分层孔结构的活化碳，它们不仅能提供大量可供离子进入的位点，还能促进电解质在电极体系中的快速传输[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。然而，目前市面上的大多数活化碳都是由不可再生或成本较高的原料制成的，这引发了关于其可持续性、经济性以及大规模应用可行性的担忧[14]、[15]。在此背景下，废弃咖啡渣作为一种低成本且可持续的碳源逐渐受到重视。全球范围内，咖啡消费产生的废弃咖啡渣数量庞大，通常被直接丢弃，从而给环境带来负担[16]。同时，其富含碳元素和芳香结构的特点，使其非常适合转化为高价值的多孔碳材料[17]、[18]。因此，将废弃咖啡渣转化为活化碳，既能减少废物，又能为电化学能量存储系统提供可持续的电极材料。
化学活化法，尤其是利用ZnCl?进行活化，已被证明是通过热处理促进脱水、芳香化和孔结构形成，从而制备出高度多孔碳结构的有效方法[19]。虽然经ZnCl?活化的废弃咖啡渣碳材料展现出良好的结构特性，但以往的研究大多侧重于提高比表面积和开发孔结构，而运用循环伏安法、恒电流充放电法和电化学阻抗谱法对其进行的全面电化学性能评估则相对较少[20]、[21]。因此，目前尚未完全明确活化过程引起的孔结构变化与电解质环境下的电荷存储行为之间的关联。尤其是活化温度这一关键工艺参数，它影响着多孔碳材料的孔结构发育、石墨化程度、电子导电性以及离子传输路径；但在相同的化学活化条件下，针对该参数影响的系统研究仍然不足。
在本研究中，我们在600、700和800?°C的碳化温度下，以废弃咖啡渣为原料制备了经ZnCl?活化的碳材料，分别记为SCW6、SCW7和SCW8，旨在探究温度对孔结构演化的影响及其对电容性能的作用。为了建立全面的工艺-结构-性能关系，我们将这些碳电极在三种具有不同离子传输特性的水基电解质中进行了测试：酸性电解质1?M H?SO?、碱性电解质6?M KOH和3?M LiOH，共计形成了九组电极-电解质体系。H?SO?具有快速的质子传输能力，可用于研究受表面因素影响的电容行为；KOH则是一种典型的碱性电解质，其中的K+离子移动性强，且易于进入微孔结构。而LiOH中的Li+离子处于强溶剂化状态，其水合半径较大，有助于研究阳离子尺寸对扩散速度及孔结构可及性的影响[13]、[14]。我们通过循环伏安法、恒电流充放电法和电化学阻抗谱法对这些体系的电化学行为进行了系统分析，并将不同电解质环境下孔结构特征与活化温度带来的结构变化进行了对比。这种结合温度与电解质条件的对比研究方法，有助于深入理解电荷存储机制，同时也为将咖啡渣转化为高性能多孔碳电极、用于下一代超级电容器提供了可行的技术路径。
章节要点
活化碳的制备
本研究使用的所有化学品均为分析级，无需进一步纯化即可直接使用。氢氧化钠（NaOH，纯度99%，分子量为39.997?g?mol?1）购自QReC，用于对废弃咖啡渣进行碱性预处理。盐酸（HCl，纯度99%，分子量为36.458?g?mol?1）由Avantor提供，用于碳化处理后的酸洗步骤，以去除残留的无机物质和灰分。氯化锌（ZnCl?，纯度99%，分子量
比表面积分析
表1总结了在不同活化温度下，经ZnCl?活化处理的废弃咖啡渣碳材料的BET比表面积参数。如图2(a)所示，所有样品均表现出I型与IV型吸附-脱附行为的混合特征：在低相对压力（P/P??
结论
在本研究中，我们成功通过在可控碳化条件下采用ZnCl?辅助活化处理废弃咖啡渣，将其转化为活化碳电极，为开发可持续电极材料提供了可行方案。通过对SCW6、SCW7和SCW8在酸性（1?M H?SO?）和碱性（3?M LiOH、6?M KOH）电解质中的性能对比分析，发现活化温度和电解质类型对材料的电荷存储行为有着重要影响。在所研究的样品中，
作者贡献说明
S. Aynharan：原文撰写、可视化分析、实验研究、数据整理。 K. Aoki：原文润色与编辑、结果验证、研究方法设计、定量分析。 M. Bharat：原文润色与编辑、结果验证、研究方法设计。 N. Matsumi：原文润色与编辑、资源协调、项目管理。 Y. Nagao：原文润色与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、资金筹集。 H.W. Yussof：原文润色与编辑、结果验证、项目管理、资金筹集。 A.S.
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢马来西亚彭亨苏丹阿都拉大学工业科学与技术学院以及相关技术人员在研究过程中提供的支持。A.S. Samsudin还感谢日本与东盟加强合作伙伴关系网络计划（NEXUS）项目（编号Y2024L0906016）的资助。此外，作者也衷心感谢斯里兰卡东方大学给予的支持与贡献。
S. Aynharan|K. Aoki|M. Bharat|N. Matsumi|Y. Nagao|H.W. Yussof|A.S. Samsudin
